DSP是一種快速強大的微處理器，獨特之處在于它能即時處理資料,，正是這項即時能力使得DSP最適合支援無法容忍任何延遲的應(yīng)用,。舉例來說，您是否曾使用過一種不允許雙方同時說話的手機,？您必須等到對方把話說完后,，您才能接著說；如果您們兩個人同時講話,，訊號就會被切斷,，使您聽不到對方聲音。今日的數(shù)位手機則允許您以正常方式交談,，因為它采用了DSP,。
行動電話內(nèi)的DSP能以超高速度處理語音，使您能即時聽到對方的說話,，完全感受不到任何延遲,。再以相同應(yīng)用為例，早期的行動電話常會出現(xiàn)回音,，但數(shù)位行動電話卻能將回音和通話停頓的現(xiàn)象完全消除,。DSP會以聲音之類的真實世界訊號為目標，透過數(shù)學(xué)運算改變它的特性,，以便得到更佳音質(zhì),；DSP還能壓縮資料(您的聲音)，消除背景雜訊,，使您的聲音能以更高速率傳送,，進而提供清徹?zé)o比的通話品質(zhì)，沒有惱人的回聲,。
這是DSP用途的最簡單解釋,。要改善訊號，您需要數(shù)位訊號,，然后對它進行處理,，結(jié)果可能是更清晰的聲音、更銳利的畫面或是更快速的資料,；而這項訊號加強能力也帶來突破性的新應(yīng)用,，例如網(wǎng)路音樂和家庭寬頻都因此得以實現(xiàn)。

Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理

作為一個案例研究,，我們來考慮數(shù)字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波,。簡單地說,，濾波就是對信號進行處理，以改善其特性,。例如,，濾波可以從信號里清除噪聲或靜電干擾，從而改善其信噪比,。為什么要用微處理器,，而不是模擬器件來對信號做濾波呢？我們來看看其優(yōu)越性：

• 模擬濾波器（或者更一般地說,，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素,。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。
• 數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進行復(fù)制,，因為其性能并不取決于性能已偏離正常值的器件的組合,。
• 一個模擬濾波器一旦制造出來，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的,。使用微處理器來實現(xiàn)數(shù)字濾波器,，就可以通過對其重新編程來改變?yōu)V波的特性。

Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器

DSP處理器與通用處理器的比較

考慮一個數(shù)字信號處理的實例，比如有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）,。用數(shù)學(xué)語言來說,，F(xiàn)IR濾波器是做一系列的點積。取一個輸入量和一個序數(shù)向量,，在系數(shù)和輸入樣本的滑動窗口間作乘法,，然后將所有的乘積加起來，形成一個輸出樣本,。

類似的運算在數(shù)字信號處理過程中大量地重復(fù)發(fā)生,，使得為此設(shè)計的器件必須提供專門的支持，促成了了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：

1 對密集的乘法運算的支持

GPP不是設(shè)計來做密集乘法任務(wù)的,，即使是一些現(xiàn)代的GPP,，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法,。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的和,。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出,。
同時,，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令,。

2 存儲器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)上,，GPP使用馮.諾依曼存儲器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中,，只有一個存儲器空間通過一組總線（一個地址總線和一個數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核,。通常，做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問,，用掉至少四個指令周期,。

大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間劃分成兩個,，分別存儲程序和數(shù)據(jù),。它們有兩組總線連接到處理器核,，允許同時對它們進行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍,，更重要的是同時為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令,。在這種布局下，DSP得以實現(xiàn)單周期的MAC指令,。

還有一個問題,，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內(nèi)高速緩存，一個是數(shù)據(jù),，一個是指令,，它們直接連接到處理器核，以加快運行時的訪問速度,。從物理上說,，這種片內(nèi)的雙存儲器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說,，兩者還是有重要的區(qū)別,。

GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲在片內(nèi)的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）,。與此相反,，DSP使用多個片內(nèi)存儲器和多組總線來保證每個指令周期內(nèi)存儲器的多次訪問。在使用DSP時,，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內(nèi)存儲器中,。程序員在寫程序時，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線,。

此外,，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流,。也就是說,，DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后，就丟棄了,，幾乎不再重復(fù)使用。

3 零開銷循環(huán)

如果了解到DSP算法的一個共同的特點,，即大多數(shù)的處理時間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上,，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件,，用于零開銷循環(huán),。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時，不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值,、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部,、將循環(huán)計數(shù)器減1,。

與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實現(xiàn),。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報硬件,，幾乎達到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。

4 定點計算

大多數(shù)DSP使用定點計算,，而不是使用浮點,。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點來做應(yīng)該容易的多,，但是對DSP來說,，廉價也是非常重要的。定點機器比起相應(yīng)的浮點機器來要便宜（而且更快）,。為了不使用浮點機器而又保證數(shù)字的準確,，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位,。

5 專門的尋址方式

DSP處理器往往都支持專門的尋址模式,，它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的。例如,，模塊（循環(huán)）尋址（對實現(xiàn)數(shù)字濾波器延時線很有用）,、位倒序?qū)ぶ罚▽FT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的,，只有用軟件來實現(xiàn),。

6 執(zhí)行時間的預(yù)測

大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴格的實時應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時間內(nèi)完成,。這就要求程序員準確地確定每個樣本需要多少處理時間,，或者，至少要知道,，在最壞的情況下,，需要多少時間。

如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務(wù),，執(zhí)行時間的預(yù)測大概不會成為什么問題,，應(yīng)為低成本GPP具有相對直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測執(zhí)行時間,。然而,，大多數(shù)實時DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。

這時候,，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于,，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會放進去也是由程序員（而不是處理器）來決定的,，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲器中讀取,。DSP一般不使用動態(tài)特性,，如轉(zhuǎn)移預(yù)測和推理執(zhí)行等。因此,，由一段給定的代碼來預(yù)測所要求的執(zhí)行時間是完全直截了當?shù)?。從而使程序員得以確定芯片的性能限制。

7 定點DSP指令集

定點DSP指令集是按兩個目標來設(shè)計的：

• 使處理器能夠在每個指令周期內(nèi)完成多個操作,，從而提高每個指令周期的計算效率,。
• 將存貯DSP程序的存儲器空間減到最小（由于存儲器對整個系統(tǒng)的成本影響甚大,，該問題在對成本敏感的DSP應(yīng)用中尤為重要）,。

為了實現(xiàn)這些目標，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個指令內(nèi)說明若干個并行的操作,。例如,，在一條指令包含了MAC操作，即同時的一個或兩個數(shù)據(jù)移動,。在典型的例子里,，一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作。這種高效率付出的代價是,，其指令集既不直觀,，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。

GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用,，因為他們一般使用象C或C++等高級語言,。而對于DSP的程序員來說，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語言寫的（至少部分是匯編語言優(yōu)化的）,。這里有兩個理由：首先,，大多數(shù)廣泛使用的高級語言，例如C,，并不適合于描述典型的DSP算法,。其次，DSP結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,，如多存儲器空間,、多總線、不規(guī)則的指令集,、高度專門化的硬件等,，使得難于為其編寫高效率的編譯器。

即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼,，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應(yīng)用都具有大量計算的要求,，并有嚴格的開銷限制,，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對程序的最關(guān)鍵部分）,。因此，考慮選用DSP的一個關(guān)鍵因素是,，是否存在足夠的能夠較好地適應(yīng)DSP處理器指令集的程序員,。

8 開發(fā)工具的要求

因為DSP應(yīng)用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數(shù)DSP廠商都提供一些開發(fā)工具,，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作,。例如，大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具,，以準確地仿真每個指令周期內(nèi)處理器的活動,。無論對于確保實時操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具,。

GPP廠商通常并不提供這樣的工具,，主要是因為GPP程序員通常并不需要詳細到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具,，是DSP應(yīng)用開發(fā)者所面臨的的大問題：由于幾乎不可能預(yù)測高性能GPP對于給定任務(wù)所需要的周期數(shù),，從而無法說明如何去改善代碼的性能。